(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定材に超音波を照射し超音波エコーを受信できる超音波振動子を有する配列形探触子と、
該配列形探触子と前記被測定材との相対位置および／または相対角度を変えることができる駆動手段と、
前記配列形探触子の位置補正を行うための超音波の送受信で得られた複数の前記超音波エコーの波形と、該超音波エコーの波形の受信時における前記配列形探触子と前記被測定材との位置関係とを記憶できる第一記憶手段と、
前記配列形探触子と前記被測定材とが相対移動する方向をＸ軸方向として、所定のＸ軸方向位置において受信した前記超音波エコーの波形を記憶できる第二記憶手段と、
該第二記憶手段が記憶する波形と前記第一記憶手段が記憶する波形とを比較して、第一記憶手段に記憶される複数の波形から第二記憶手段に記憶される波形に同一または最も近似する波形を選択するマッチング手段と、
を備え、
前記駆動手段は、前記マッチング手段が選択した波形に対応する前記配列形探触子と前記被測定材の位置関係に基づいて、前記配列形探触子を複数の超音波振動子から得られる表面エコー高さおよび水平距離が略均一となる測定位置に移動させ、該測定位置において探傷を行うことができることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記第一記憶手段と前記第二記憶手段は、超音波振動子から被測定材までの位置および表面エコー高さの情報を含む波形を記憶することができるとともに、
前記マッチング手段は、第一記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの一方と、第二記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの同じ一方とを比較し、
前記第一記憶手段に記憶される複数の前記一方から、前記第二記憶手段に記憶される前記同じ一方に近似する前記一方を複数選択し、
該選択された複数の前記一方に対応する他方と、前記第二記憶手段に記憶される同じ他方とを比較し、
最も近似するものを、波形が同一または最も近似するものとすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
前記探触子は複数の超音波振動子を備え、前記駆動手段は前記探触子と前記被測定材の相対移動の方向に対してヨー方向に前記探触子を回転させることができることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波探傷装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波探傷装置を用いる超音波探傷方法であって、
前記第一記憶手段に前記探触子と前記被測定材の位置に応じた超音波エコーの波形を記憶するステップと、
前記被測定材に超音波を照射するステップと、
超音波エコーを受信するステップと、
受信した前記超音波エコーの波形を前記第二記憶手段に記憶するステップと、
前記第一記憶手段に記憶される前記探触子の位置に応じた波形から、前記第二記憶手段に記憶された波形に同一または最も近似する波形を選択するステップと、
前記選択した前記探触子の位置に応じた波形から、前記探触子の位置を補正するステップと、
前記補正後の位置において超音波探傷を行うステップと、
を有することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項５】
前記第一記憶手段に探触子と被測定材の位置に応じた超音波エコーの波形を記憶するステップは、
正しい測定位置を検出し、検出された該正しい測定位置を含む所定の範囲内の複数箇所において、前記被測定材に超音波を照射して超音波エコーを受信し、受信した超音波エコーの波形を前記第一記憶手段に累積的に記憶するステップであることをと特徴とする請求項４に記載の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷装置、超音波探傷装置の感度補正方法および超音波探傷方法に関するものであり、特に好適には、鋼材などといった被測定材（被探傷材）の表面や内部の状態を、超音波を用いることにより被測定材を破壊することなく測定する超音波探傷装置と、超音波探傷装置の感度補正方法および超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材などの被測定材の状態、たとえば表面きずや内部きずなどを測定する装置および方法としては、超音波探傷装置および超音波探傷方法が広く用いられている。一般的な超音波探傷装置は、単一または複数の探触子を備え、探触子の超音波振動子が発する超音波を被測定材の内部に伝搬させ、その反響波（エコー）を検出することにより、被測定材の表面や内部に存する異常な不連続部、すなわち「きず（表面きずおよび／または内部きず）」を測定する。
【０００３】
超音波探傷装置および超音波探傷方法を用いて被測定材に存する「きず」を測定し、当該測定された「きず」が「欠陥」であるか否かを判定するためには、測定感度を最適な値に設定するとともに、精度の高い測定を行う必要がある。このため、被測定材の健全部の底面エコーを用いて測定感度を調整する方法（底面エコー方式の感度調整方法）や、感度標準試験片または対比試験片を用いて測定感度を調整する方法（試験片方式の感度調整方法）などが行われる。
【０００４】
ところで、たとえば長尺物の被測定材を測定する場合には、探触子を被測定材の長手方向に相対的に走査させてエコーを得る方法が用いられることがある。この際に、被測定材が変形等していると（たとえば、長手方向軸線が直線ではないと）、探触子を走査させるときに、探触子と被測定材の位置関係が、被測定材の位置によって変化することがある。そうすると、エコーを得る際に、超音波ビームの入射角、ビーム路程、測定対象部位の角度が被測定材の位置によって変化し、得られるエコーも被測定材の位置によって不均一となるおそれがある。得られるエコーが不均一となると、測定精度が低下するおそれがある。
【０００５】
被測定材の表面状態や内部状態をより精度良く測定するために、種々の感度調整方法や感度補正方法、およびそれらを用いた超音波探傷装置や超音波探傷方法が提案されている。たとえば、次のような構成が提案されている。
【０００６】
特許文献１には、セクタ走査方式の超音波探傷装置および超音波探傷方法において、超音波ビームの受信信号を補正することにより、エコー高さを一定にする（すなわち感度を一定にする）構成が開示されている。具体的には、受信信号の感度は、（１）探触子の指向性の相違に起因する超音波ビームの偏向角の相違、（２）探触子と被検査材とを音響結合する媒体と被検査体との屈折率の相違、（３）被検査材と前記媒体の内部における超音波ビームの減衰、（４）超音波ビームの集束点におけるビーム幅の相違、の影響を受けるとしている。そこで、それぞれに起因する感度変化の補正値を所定の数式により算出して記憶し、記憶した補正値に基づいて感度を補正するものである。
【０００７】
また、特許文献２には、リニア走査方式の超音波診断装置において、振幅変化したエコーに所定の信号を加算することにより、エコーの変化を相殺して一定振幅のエコー（補正エコー信号）を得る構成が開示されている。具体的には、超音波診断装置は、深さ方向（超音波ビームの進行方向と思われる）感度補正器と、方位方向（超音波ビームの進行方向に直角な方向と思われる）感度補正器とを備える。さらにこの方位方向感度補正器は、複数の可変抵抗と切換スイッチとを備える。そして、被測定材に反射して方位方向に振幅変化したエコーに、前記各抵抗からの信号を前記切換スイッチを介して加算する。これにより、エコーの変化を相殺して一定振幅のエコーを得るものである。
【０００８】
このように、配列形探触子を用いる超音波探傷装置は、あらかじめ設定された単数または複数の焦点位置に対して超音波ビームを伝搬させてエコーを得る。そしてこのような超音波探傷装置または超音波探傷方法における従来の感度補正は、エコーを得る際に、超音波ビームの入射角、ビーム路程、測定対象部位の角度による感度の変化を補正するために行われる。
【０００９】
ところで、精度のよい超音波探傷を行うには、探触子と被測定材の位置関係を、常に正しい位置関係に維持することが好ましい。しかしながら、前記いずれの構成も、得られたエコーを補正するものであり、探触子と被測定材との位置関係を補正しながら超音波探傷を行うことは考慮されていない。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１８３４４６号公報
【特許文献２】特開平２−２４６９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、被測定材の表面きずおよび／または内部きずを探触子を用いて測定する際に、測定対象範囲の測定感度が略一定となるような超音波探傷装置または超音波探傷方法を提供すること、たとえば探触子を走査する際において、被測定材と探触子との位置関係が略均一に維持して測定する超音波探傷装置または超音波探傷方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明は、被測定材に超音波を照射し超音波エコーを受信できる超音波振動子を有する配列形探触子と、該配列形探触子と前記被測定材との相対位置および／または相対角度を変えることができる駆動手段と、前記配列形探触子の位置補正を行うための超音波の送受信で得られた複数の前記超音波エコーの波形と、該超音波エコーの波形の受信時における前記配列形探触子と前記被測定材との位置関係とを記憶できる第一記憶手段と、前記配列形探触子と前記被測定材とが相対移動する方向をＸ軸方向として、所定のＸ軸方向位置において受信した前記超音波エコーの波形を記憶できる第二記憶手段と、該第二記憶手段が記憶する波形と前記第一記憶手段が記憶する波形とを比較して、第一記憶手段に記憶される複数の波形から第二記憶手段に記憶される波形に同一または最も近似する波形を選択するマッチング手段と、を備え、前記駆動手段は、前記マッチング手段が選択した波形に対応する前記配列形探触子と前記被測定材の位置関係に基づいて、前記配列形探触子を複数の超音波振動子から得られる表面エコー高さおよび水平距離が略均一となる測定位置に移動させ、該測定位置において探傷を行うことができることを要旨とするものである。
【００１３】
前記「正しい測定位置」とは、複数の超音波振動子から得られる表面エコー高さおよび水距離が略均一となる位置である。物理的にはたとえば、被測定材の断面形状が略円形である場合には、被測定材と配列された複数の超音波振動子が同心の関係にある位置をいう。また、被測定材の断面形状が方形の場合には、被測定材の超音波が照射される面と配列された複数の超音波振動子とが平行となる位置をいう。
【００１４】
ここで、前記第一記憶手段と前記第二記憶手段は、超音波振動子から被測定材までの位置および表面エコー高さの情報を含む波形を記憶することができるとともに、前記マッチング手段は、第一記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの一方と、第二記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの同じ一方とを比較し、前記第一記憶手段に記憶される複数の前記一方から、前記第二記憶手段に記憶される前記同じ一方に近似する前記一方を複数選択し、該選択された複数の前記一方に対応する他方と、前記第二記憶手段に記憶される同じ他方とを比較し、最も近似するものを、波形が同一または最も近似するものとするものであることが好ましい。
【００１５】
また、前記探触子は複数の超音波振動子を備え、前記駆動手段は前記探触子と前記被測定材の相対移動の方向に対してヨー方向に前記探触子を回転させることができることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、前記いずれかの超音波探傷装置を用いる超音波探傷方法であって、前記第一記憶手段に前記探触子と前記被測定材の位置に応じた超音波エコーの波形を記憶するステップと、前記被測定材に超音波を照射するステップと、超音波エコーを受信するステップと、受信した前記超音波エコーの波形を前記第二記憶手段に記憶するステップと、前記第一記憶手段に記憶される前記探触子の位置に応じた波形から、前記第二記憶手段に記憶された波形に同一または最も近似する波形を選択するステップと、前記選択した前記探触子の位置に応じた波形から、前記探触子の位置を補正するステップと、前記補正後の位置において超音波探傷を行うステップと、を有することを要旨とするものである。
【００１７】
ここで前記第一記憶手段に探触子と被測定材の位置に応じた超音波エコーの波形を記憶するステップは、正しい測定位置を検出し、検出された該正しい測定位置を含む所定の範囲内の複数箇所において、前記被測定材に超音波を照射して超音波エコーを受信し、受信した超音波エコーの波形を前記第一記憶手段に累積的に記憶するステップであることが好ましい。
【００１８】
また、前記第一記憶手段に記憶された複数の波形から、前記第二記憶手段に記憶された波形に同一または最も近似する波形を選択するステップは、前記第一記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの一方と、第二記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの同じ一方とを比較し、前記第一記憶手段に記憶される複数の前記一方から、前記第二記憶手段に記憶される前記同じ一方に近似する前記一方を複数選択し、該選択された複数の前記一方に対応する他方と、前記第二記憶手段に記憶される同じ他方とを比較し、最も近似するものを、波形が同一または最も近似するものであるとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、マッチング手段が選択した波形データに対応する探触子の位置から正しい測定位置に前記探触子を移動させることができる。したがって、常に正しい測定位置で超音波探傷を実施することができるから、精度の高い超音波探傷を行うことができる。
【００２０】
ここで、第一記憶手段に記憶される波形の超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの一方をまず比較して、近似するものを複数選択し、次いで、選択したものから、超音波振動子と被測定材との距離または表面エコー高さの他方が近似するものを選択する構成とすれば、計算量を少なくすることができる。このため、探触子の位置の計算に要する時間を短くしつつ、高精度の超音波探傷を行うことができる。
【００２１】
また、前記探触子は複数の超音波振動子を備え、前記駆動手段は前記探触子と前記被測定材の相対移動の方向に対してヨー方向に探触子を回転させることができれば、探触子に設けられる複数の超音波振動子と、被測定材との位置関係を均一にすることができる。したがって、精度の高い探傷を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１の構成を、模式的に示した外観斜視図である。図２は、本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１の構成を、模式的に示したブロック図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１は、配列形探触子１１１と、Ｘ軸走査スライダ１１２と、Ｙ軸走査スライダ１１３と、Ｚ軸走査スライダ１１４と、θｘ回転治具１１５と、θｙ回転治具１１６と、θｚ回転治具１１７と、水槽１１８とを備える。
【００２５】
配列形探触子１１１は、それぞれ独立して動作可能な所定の数の超音波振動子（図略）を備える。各超音波振動子は超音波の送受信が可能な素子であり、たとえば水晶やセラミックスなどの、公知の各種超音波振動子が適用できる。複数の超音波振動子の具体的な配列の形態については後述する。
【００２６】
Ｘ軸走査スライダ１１２、Ｙ軸走査スライダ１１３、Ｚ軸走査スライダ１１４は、配列形探触子１１１を、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方法、Ｚ軸方向に移動させることができる。また、θｘ回転治具１１５、θｙ回転治具１１６、θｚ回転治具１１７は、配列形探触子１１１を、それぞれ、θｘ方向、θｙ方向、θz方向に回転させることができる。このように、配列形探触子１１１は、Ｘ軸方向に移動して走査しつつ、Ｙ軸方向とＺ軸方向に移動することができるとともに、θｘ方向、θｙ方向、θｚ方向に回転することができる。
【００２７】
なお、本実施形態においては、Ｘ軸方向を、超音波探傷において、配列形探触子１１１と被測定材（図略）とが相対移動する方向とし、Ｙ軸およびＺ軸は、このＸ軸に直交する軸とする。また、θｘ方向は、Ｘ軸に平行な軸を中心とする回転方向（すなわちロール方向）、θｙ方向は、Ｙ軸に平行な軸を中心とする回転方向（すなわちピッチ方向）、θｚはＺ軸に平行な軸を中心とする回転方向（すなわちヨー方向）とする。
【００２８】
図２に示すように、本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１は、さらに、制御手段１２７と、Ｘ軸走査スライダ駆動手段１２１と、Ｙ軸走査スライダ駆動手段１２２と、Ｚ軸走査スライダ駆動手段１２３と、θｘ回転治具駆動手段１２４と、θｙ回転治具駆動手段１２５と、θｚ回転治具駆動手段１２６と、第一記憶手段１２８と、第二記憶手段１２９と、マッチング手段１３０と、判定手段１３１と、出力手段１３２とを備える。
【００２９】
制御手段１２７は、Ｘ軸走査スライダ駆動手段１２１、Ｙ軸走査スライダ駆動手段１２２、Ｚ軸走査スライダ駆動手段１２３、θｘ回転治具駆動手段１２４、θｙ回転治具駆動手段１２５、θｚ回転治具駆動手段１２６を制御する。さらに制御手段１２７は、後述する信号処理部１４０を通じて配列形探触子１１１を駆動するとともに、配列形探触子１１１が得た超音波エコーを、信号処理部１４０を通じて受信することができる。そして受信した超音波エコーを、第一記憶手段１２８と第二記憶手段１２９に記憶させることができる。
【００３０】
Ｘ軸走査スライダ駆動手段１２１、Ｙ軸走査スライダ駆動手段１２２、Ｚ軸走査スライダ駆動手段１２３は、制御手段１２７が生成する制御信号に基づいて、それぞれ、Ｘ軸走査スライダ１１２、Ｙ軸走査スライダ１１３、Ｚ軸走査スライダ１１４を駆動することができる。これにより配列形探触子１１１は、各方向に移動することができる。
【００３１】
また、θｘ回転治具駆動手段１２４、θｙ回転治具駆動手段１２５、θz回転治具駆動手段１２６は、制御手段１２７が生成する制御信号に基づいて、それぞれ、θｘ回転治具１１５、θｙ回転治具１１６、θｚ回転治具１１７を駆動することができる。これにより配列形探触子１１１は、各方向に回転することができる。
【００３２】
本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１は、全没水浸法により超音波探傷を実施するものである。すなわち配列形探触子は、被測定材２１とともに水槽１１８に貯留される液体（すなわち接触媒質）に没した状態にある。したがって、各超音波振動子１１１１と被測定材２１との間には液体（接触触媒）の層が存在し、この液体（接触触媒）によって、超音波振動子１１１１と被測定材２１とが音響結合する。なお、接触触媒としては、水の他に、マシン油、グリセリンなその油が適用できる。
【００３３】
そして図２に示すように、各超音波振動子１１１１は、水槽１１８の内部において、被測定材２１の表面に対向するように、略直列的に配列される。配列形探触子１１１は、このように被測定材２１に対向するように配列されていればよいが、特に被測定材２１の表面形状に沿うように配列されることが好ましい。
【００３４】
たとえば図２に示すように、被測定材２１が断面略円形の円柱状の部材であり、配列形探触子１１１と被測定材２１とを被測定材２１の軸線方向（すなわちＸ軸方向）に相対的に移動させて探傷する構成においては、配列形探触子１１１は、図２に示すような略円弧状または環状に形成されることが好ましい。そして各超音波振動子１１１１は、配列形探触子１１１の形状に沿って直列的に配列される。各超音波振動子１１１１は、その曲率の中心または環の中心が、被測定材２１の中心に一致するようにセッティングされる。
【００３５】
具体的には、配列形探触子１１１は、１２８個の超音波振動子１１１１を備える。そして、これらの超音波振動子１１１１が、０．５ｍｍピッチで曲率半径が６２．５ｍｍとなるように、直列的かつ円弧状に配列される。このような配列形探触子１１１で探傷の対象とする被測定材は２１は、φ２５〜６５ｍｍの丸棒が適用できる。
【００３６】
第一記憶手段１２８は、配列形探触子１１１の所定の複数の位置における超音波エコーを累積的に記憶することができる。さらに、超音波エコーの波形の受信時における配列形探触子１１１と被測定材２１との位置関係とを記憶することができる。
【００３７】
第二記憶手段１２９は、配列形探触子１１１の所定の位置における超音波エコーを記憶することができる。マッチング手段１３０は、第一記憶手段１２８に記憶される複数の位置における各超音波エコーと、第二記憶手段１２９に記憶される超音波エコーとを比較する。そして第一記憶手段１２８に記憶される複数の超音波エコーのうちから、第二記憶手段１２９に記憶される超音波エコーに最も近いものまたは同一のものを選択することができる。
【００３８】
なお、発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１は、いわゆる「ダイナミックフォーカス方式（またはボリュームフォーカス方式と称することがある）」により被測定材２１の状態を測定し、被測定材２１に存在する異常な不連続部を検出することができる。「ダイナミックフォーカス方式」による超音波探傷方法の詳細については公知であることから（たとえば特開２００３−２８８４６号公報参照）、以下簡単に説明し、詳細な説明は省略する。なお、この「異常な不連続部」を、本発明においては「きず（表面きずおよび／または内部きず）」と称する。「きず」には、切り欠き、亀裂、気孔、介在物などが含まれる。
【００３９】
「ダイナミックフォーカス方式」による超音波探傷方法は、配列形探触子１１１に設けられる複数の超音波振動子１１１１を励起させて超音波を被測定材２１に向けて照射し、その超音波エコーを記憶して、計算によって任意の位置における超音波の位相合成を行う。これにより、任意の位置に焦点を合わせた超音波ビームが算出される。すなわち、一回の超音波の送受信で、測定対象領域の任意の位置にフォーカスを設定した複数の超音波ビームを算出できる。このように、一回の超音波の送受信で、測定対象の広範囲にわたって、配列形探触子１１１の超音波振動子１１１１の配列方向の走査を行うことができる。
【００４０】
本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１は、前記のように「ダイナミックフォーカス方式」による探傷方法を実施できる。そして、このための信号処理部１４０と、任意焦点波形合成部１４１とを備える。
【００４１】
信号処理部１４０は、超音波パルス送受信タイミング設定手段１４２と、超音波パルス発生手段１４３と、超音波エコー受信手段１４４と、Ａ／Ｄ変換手段１４５と、波形記憶手段１４６とを備える。
【００４２】
超音波パルス送受信タイミング設定手段１４２は、配列形探触子１１１に設けられる各超音波振動子１１１１を励振するタイミングを設定できるとともに、各超音波振動子１１１１による超音波エコーの受信タイミングを設定できる。超音波パルス発生手段１４３は超音波パルス送受信タイミング設定手段１４２が設定するタイミングで超音波パルスを生成する。そして、配列形探触子１１１に設けられる各超音波振動子１１１１を、それぞれ独立して励振することができる。励振された超音波振動子１１１１は、外部（すなわち被測定材２１）に向けて超音波を照射する。
【００４３】
また、配列形探触子１１１に設けられる各超音波振動子１１１１は、超音波パルス送受信タイミング設定手段１４２が設定したタイミングで超音波エコーを受信することができる。超音波エコー受信手段１４４は、各超音波振動子１１１１が受信した超音波エコーを増幅することができる。Ａ／Ｄ変換手段１４５は、各超音波振動子１１１１が受信し各超音波エコー受信手段１４４が増幅した超音波エコーの値を、アナログ値からディジタル値に変換することができる。波形記憶手段１４６は、Ａ／Ｄ変換手段１４５がディジタル値に変換した超音波エコーの値を記憶することができる。
【００４４】
信号処理部１４０は、少なくとも超音波ビームを送信してから被測定材２１の底面に反射した超音波エコーを受信するまでの間、所定の短いサイクルで前記動作を繰り返すことができる。信号処理部１４０の波形記憶手段１４６には、少なくとも表面エコー高さの受信から底面エコーの受信までの間の超音波エコーを経時的に蓄積して記憶できる。
【００４５】
信号処理部１４０の波形記憶手段１４６に記憶された超音波エコーは、任意焦点波形合成部１４１に送られる。任意焦点波形合成部１４１は、波形記憶手段１４６に記憶された超音波エコーに基づいて、測定対象領域（すなわち被測定材２１の断面内）の任意の位置における超音波の位相合成を行うことができる。すなわち、被測定材２１の断面内の任意の位置に焦点を合わせた超音波ビームとそのエコー高さを算出することができる。
【００４６】
本発明の実施形態にかかる超音波探傷方法は次のとおりである。
【００４７】
まず、本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１による超音波探傷方法の概略について説明する。
【００４８】
高精度の超音波探傷を実施するには、超音波振動子１１１１と被測定材２１との相対移動の方向の各位置（すなわちＸ軸方向の各位置）において、超音波振動子と被測定材との位置や角度の関係を高精度に維持する必要がある。複数の超音波振動子１１１１を有する配列形探触子１１１を用いる場合には、さらに各超音波振動子１１１１と被測定材２１との相対的な位置や角度の関係を互いに均一に維持する必要がある。
【００４９】
図３は、Ｙ軸方向に配列形探触子１１１と被測定材との位置関係をずらした場合における、水距離および表面エコー高さの変化の傾向を示した図である。また、図４は、θｙ方向に配列形探触子１１１をずらした場合における、水距離および表面エコー高さの変化の傾向を示した図である。なお、「水距離」とは、各超音波振動子１１１１と被測定材２１との間の距離をいう。
【００５０】
図３（ａ）は、配列形探触子１１１と被測定材２１の位置関係を模式的に示した断面図である。配列形探触子１１１には、複数の（ここでは１２８個とする。図中の番号は、超音波振動子の番号である）超音波振動子１１１１が直列的に配列される。図３（ａ）に示すように、「正しい測定位置」においては、配列形探触子１１１と被測定材２１とが同心の位置関係にある。そして図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、「正しい測定位置」においては、各超音波振動子１１１１から得られる表面エコー高さおよび水距離は、略均一となる。換言すると、「正しい測定位置」とは、各超音波振動子１１１１から得られる表面エコー高さおよび水距離は、略均一となる位置である。
【００５１】
これに対して、図３（ｄ）、（ｅ）に示すように、配列形探触子１１１がＹ軸方向のプラスの向きに移動すると、移動した位置に応じて各超音波振動子１１１１と被測定材２１の水距離が不均一となる。また、水距離や被測定材２１との角度も変化するから、表面エコー高さも不均一になる。また、Ｙ軸方向のマイナスの向きに移動した場合であっても、図３（ｆ）、（ｇ）に示すように、移動した位置に応じて各超音波振動子が得る表面エコー高さと各超音波振動子と被測定材２１の水距離が不均一になる。
【００５２】
図４（ａ）は、配列形探触子１１１と被測定材２１の位置関係を模式的に示した断面図である。図４（ａ）に示すように、「正しい測定位置」においては、配列形探触子と被測定材とが同心の位置関係にある。そして図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、「正しい測定位置」においては、各超音波振動子から得られる表面エコー高さおよび水距離は、略均一となる。
【００５３】
これに対して、図４（ｄ）、（ｅ）に示すように、配列形探触子がθｙ方向のプラスの向きに移動すると、移動した位置に応じて各超音波振動子と被測定材の水距離が変化する。また、水距離が変化するから、表面エコー高さも変化する。また、θｙ方向のマイナスの向きに移動した場合であっても、図４（ｆ）、（ｇ）に示すように、移動した位置に応じて、各超音波振動子１１１１が得る表面エコー高さと各超音波振動子１１１と被測定材２１の水距離が変化する。
【００５４】
これらのように、配列形探触子１１１が「正しい測定位置」からずれると、ずれた位置に応じて、各超音波振動子１１１１が得る表面エコー高さと各超音波振動子１１１１と被測定材２１の水距離が変化する。そしてその結果、表面エコー高さおよび水距離が各超音波振動子１１１１間で均一ではなくなることがある。
【００５５】
そこで、まずあらかじめ、超音波振動子が「正しい測定位置」にある場合における表面エコー高さおよび水距離と、超音波振動子と被測定材の位置関係を「正しい測定位置」から様々に変えた場合における表面エコー高さおよび水距離を取得しておく。
【００５６】
この「正しい測定位置」とは、各超音波振動子と被測定材との相対的な位置や角度の関係を互いに均一にある位置をいう。詳細は後述する。また、「水距離」とは、前記のとおり各超音波振動子と被測定材との間の距離をいい、Ａスコープ波形において、表面エコーが現れる時間から算出することができる。また、ここで取得した表面エコー高さおよび水距離を、「補正用データ」と称する。
【００５７】
そして実際の探傷においては、この取得した補正用データに基づいて、配列形探触子を「正しい測定位置」に位置させ、しかる後に実際の探傷を行う。すなわち、実際の探傷を行う前に、配列形探触子１１１の位置補正のための超音波の送受信を行う。そしてこの超音波の送受信において得られた表面エコー高さおよび水距離と、「補正用データ」の各表面エコー高さおよび水距離とを比較してゆく。
【００５８】
そして、「補正用データ」に含まれるもののうちから、超音波の送受信において得られたものと同一のもの、または最も近似するものを選択する。この選択された表面エコー高さと水距離を得たときの超音波振動子と被測定材の位置関係が、実際の超音波振動子と被測定材の位置関係となる。そこで、この位置関係に基づき、超音波振動子を「正しい測定位置」に移動させる。そしてそののちに実際の探傷を行う。
【００５９】
このような方法によれば、常に「正しい測定位置」で超音波探傷を実施することができる。したがって、探傷の精度の向上を図ることができる。特に配列形探触子を用いる超音波探傷でも、θｚの回転方向を調整することによって、各素子と被測定材との位置関係を均一に維持できるようになるから、探傷の精度の向上を図ることができる。
【００６０】
次に、図５、図６を参照して、詳細に説明する。図５は、補正用データを得る段階における処理を示したフローチャートである。図６は、実際の超音波探傷を行う段階における処理を示したフローチャートである。
【００６１】
図５に示すように、ステップＳ１−１において、補正用データ取得用の被測定材２２が本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置１にセッティングされ、配列形探触子１１１のＸ軸方向位置が決定される。補正用データ取得用の被測定材２２は、実際の被測定材２１と同じ外径を有し、その表面に「きず」のないものである。
【００６２】
そして、ステップＳ１−２において、配列形探触子１１１のすべての超音波振動子１１１１から超音波を被測定材２２の表面に向けて照射し、ステップＳ１−３において、超音波エコーを受信する。そして、これによりステップＳ１−４において、Ａスコープ波形を得る。得られたＡスコープ波形から、各超音波振動子１１１１と補正用データ取得用の被測定材２２の表面までの距離（すなわち水距離）と、表面エコー高さが分かる。
【００６３】
そして、得られたＡスコープ波形（すなわち水距離と表面エコー高さ）から、配列形探触子１１１が「正しい測定位置」にあるか否かを判断する。「正しい測定位置」とは、各超音波振動子１１１１の表面エコー高さおよび水距離が互いに略等しく、かつ表面エコー高さがピークにある位置をいう。このようなＡスコープ波形を得られた位置は、各超音波振動子１１１１と補正用データ取得用の被測定材２２までの距離が互いに等しく、かつ各超音波振動子１１１１がＹ−Ｚ平面に平行となる（換言すると補正用データ取得用の被測定材２２の軸線方向（Ｘ軸方向）に対して直角方向に超音波を照射できる角度となる）。すなわち、補正用データ取得用の被測定材２２と配列形探触子１１１とが同心となる位置である。
【００６４】
得られた表面エコー高さおよび水距離が「正しい測定位置」にある場合のものではないときには（ステップＳ１−５において「Ｎｏ」）、ステップＳ１−６において、配列形探触子１１１の位置を調整し、ステップＳ１−２に戻る。このように、ステップＳ１−２からステップＳ１−６の動作を繰り返すことにより、配列形探触子１１１を「正しい測定位置」に位置させることができる。
【００６５】
「正しい測定位置」が得られた場合（ステップＳ１−５において「Ｙｅｓ」の場合）には、次に、当該「正しい測定位置」を中心として、ある所定の範囲内において、配列形探触子１１１を「正しい測定位置」からずらした場合におけるＡスコープ波形を取得し、第一記憶手段に蓄積的に記憶していく。たとえば、Ｙ軸方向位置とＺ軸方向位置を「正しい測定位置」から各±５ｍｍの範囲内、θｘ回転方向位置、θｙ回転方向位置、θｚ回転方向位置を各±５ｄｅｇの範囲内の各位置におけるＡスコープ波形を取得し、第一記憶手段に蓄積的に記憶していく。
【００６６】
具体的には、次のような処理により実現できる。まず、Ｙ軸方向位置、Ｚ軸方向位置、θｘ方向位置、θｙ方向位置を所定の位置だけずらしたのち（ステップＳ１−７、Ｓ１−８、Ｓ１−９、Ｓ１−１０）、当該位置に固定し、θｚ方向位置を所定のピッチで移動させつつ（ステップＳ１−１１）、超音波の照射（ステップＳ１−１２）、超音波エコーの受信（ステップＳ１−１３）、Ａスコープ波形を取得（ステップＳ１−１４）、取得したＡスコープ波形の第一記憶手段への記憶（ステップＳ１−１５）、を行う。
【００６７】
そして、当該Ｙ軸方向位置、Ｚ軸方向位置、θｘ方向位置、θｙ方向位置において、すべてのθｚ方向位置のＡスコープ波形の記憶が完了したら（Ｓ１−１６において「Ｙｅｓ」の場合）、θｙ方向に所定位置だけずらし（ステップＳ１−１０）、再びθｚ方向位置を所定のピッチで移動させつつ（ステップＳ１−１１）、超音波の照射（ステップＳ１−１２）、超音波エコーの受信（ステップＳ１−１３）、Ａスコープ波形を取得（ステップＳ１−１４）、取得したＡスコープ波形の第一記憶手段への記憶（ステップＳ１−１５）、を行う。
【００６８】
そして、当該Ｙ軸方向位置、Ｚ軸方向位置、θｘ方向位置において、すべてのθｙについて完了したら（ステップＳ１−１７において「Ｙｅｓ」）、今度は、θｘを所定の位置だけ変更して（ステップＳ１−９）、ステップＳ１−１０からステップ１−１７を繰り返す。当該Ｙ軸方向位置、Ｚ軸方向位置において、すべてのθｘ方向位置について完了したら（Ｓ１−１８において「Ｙｅｓ」）、Ｚ軸方向位置を所定のピッチだけ移動させ（ステップＳ−８）、ステップＳ１−９からステップ１−１８を繰り返す。当該Ｙ軸方向位置において、すべてのＺ軸方向位置について、ステップＳ１−９からステップ１−１８が完了したら（ステップＳ１−１９において「Ｙｅｓ」）、Ｙ軸を所定のピッチだけ移動させ（ステップＳ１−７）、当該Ｙ軸位置においてステップＳ１−８からステップＳ１−１９の処理を繰り返す。
【００６９】
そして、すべてのＹ軸方向位置について、ステップＳ１−８からステップＳ１−１９の処理が完了したら（ステップＳ１−２０において「Ｙｅｓ」）、Ｙ軸方向位置、Ｚ軸方向位置、θｘ方向位置、θｙ方向位置、θｚ方向位置をそれぞれ所定の範囲内で変化させた場合におけるＡスコープ波形がすべて取得され、第一記憶手段１２８に記憶されることになる。これにより、補正用データの取得が完了する。
【００７０】
これにより、「正しい測定位置」における表面エコー高さおよび水距離と、当該「正しい測定位置」から所定の範囲内において、被測定材２１，２２との距離および角度がずれた位置における表面エコー高さおよび水距離との関係が明確となる。逆に言うと、配列形探触子１１１が「正しい測定位置」からＹ軸位置、Ｚ軸位置、θｘ方向、θｙ方向、θｚ方向にどれだけずれていると、どのような表面エコー高さおよび水距離が得られるかが、第一記憶手段に記憶された表面エコー高さおよび水距離から分かることになる。
【００７１】
以上の処理により補正用データが得られ、第一記憶手段１２８に記憶される。次いで、実際の探傷の処理について、図６を参照して説明する。
【００７２】
ステップＳ２−１において、配列形探触子１１１を所定のＸ軸方向位置に位置させる。なお、この場合においては、配列形探触子１１１を厳密に「正しい測定位置」に位置させる必要はない。そしてステップＳ２−２において、当該位置において超音波の照射を行い、ステップＳ２−３において超音波エコーを受信する。次いでステップＳ２−４において、受信した超音波エコーからＡスコープ波形を算出し、ステップＳ２−５において、算出したＡスコープ波形を第二記憶手段１２９に記憶する。
【００７３】
次いで、ステップＳ２−６において、データマッチングを行う。具体的には次のとおりである。第一記憶手段１２８に記憶される複数の位置における表面エコー高さおよび水距離を読み出し、第二記憶手段１２９に保存された表面エコー高さおよび水距離と、比較を行う。すなわち第一記憶手段に記憶される補正用データ（すなわち、正しい測定位置および当該位置から所定の範囲内で取得した表面エコー高さおよび水距離）を読み出し、これらの表面エコー高さおよび水距離と、第二記憶手段１２９に記憶される表面エコー高さおよび水距離とを比較してゆく。そして、第一記憶手段１２８に記憶される表面エコー高さおよび水距離のうち、第二記憶手段１２９に記憶される表面エコー高さおよび水距離のデータに最も近いデータまたは同一のデータを選択する。
【００７４】
たとえば、第一記憶手段１２８に記憶される複数の表面エコー高さおよび水距離のうち、まず表面エコー高さについて、第二記憶手段１２９に記憶される表面エコー高さと略同じ値のものを所定の数（たとえば１０個程度）選択する。そして、選択した表面エコー高さに対応する水距離と、第二記憶手段１２９に記憶される水距離とを比較し、選択した表面エコー高さに対応する水距離のうち、第二記憶手段１２９に記憶される水距離に最も近い値のものを選択する。
【００７５】
具体的な方法としては、パターンマッチング法など公知の各種方法が適用できる。
【００７６】
この、選択された水距離に対応する配列形探触子１１１の各位置が、配列形探触子１１１の当該Ｘ軸方向位置におけるＹ軸方向位置、Ｚ軸方向位置、θｘ方向位置、θｙ方向位置、θｚ方向位置であると判断される。これにより、配列形探触子１１１が「正しい測定位置」から各方向にどれだけずれているかが分かる。
【００７７】
すなわち、第一記憶手段１２８には、「正しい測定位置」を中心として所定の範囲内の各位置における表面エコー高さおよび水距離が記憶されている。このため、ある位置において配列形探触子１１１が得た表面エコー高さおよび水距離が、第一記憶手段１２８に記憶される表面エコー高さおよび水距離のいずれかに等しい場合には、前記ある位置は、当該等しい表面エコー高さおよび水距離に対応する位置に略等しい位置であると考えられる。
【００７８】
したがって、第二記憶手段１２９に記憶される表面エコー高さおよび水距離を、第一記憶手段１２８に記憶される表面エコー高さおよび水距離と比較しマッチングさせることにより、ステップＳ２−１〜ステップＳ２−５の処理を行った際における配列形探触子の位置（厳密には、「正しい測定位置」から各方向にどれだけずれているか）が分かる。
【００７９】
なお、逆にまず水距離について、第二記憶手段１２９に記憶される水距離と略同じ値のものを所定の数選択し、選択した水距離に対応する表面エコー高さと、第二記憶手段１２９に記憶される表面エコー高さとを比較し、選択した水距離に対応する表面エコー高さのうち、第二記憶手段１２９に記憶される表面エコー高さに最も近い値のものを選択する方法であってもよい。
【００８０】
そして、ステップＳ２−７において、配列形探触子１１１の位置を補正する。すなわち、選択された表面エコー高さおよび水距離を取得した位置からＹ軸位置、Ｚ軸位置、θｘ回転方向位置、θｙ回転方向位置、θｚ回転方向位置だけそれぞれマイナスの向きに移動させる。これにより、配列形探触子１１１は「正しい測定位置」に位置する。
【００８１】
そして、ステップＳ２−８において、移動させた位置で「ダイナミックフォーカス方式」の探傷を行う。具体的には次のとおりである。超音波パルス送受信タイミング設定手段１４２がパルス発信タイミング信号を生成し、超音波パルス発生手段１４３に送信する。超音波パルス発生手段１４３は、この信号を受け、配列形探触子１１１に設けられる超音波振動子１１１１に同時にスパイクパルスを送る。これにより各超音波振動子１１１１は同時に励振され、超音波が発せられる。各超音波振動子１１１１から発せられる超音波の包絡線は、配列形探触子１１１における超音波振動子１１１１の配列形状に略等しくなる。すなわち、超音波探触子１１１が円弧状または環状に形成される場合には、各超音波の包絡線は同心円状の円弧状または環状となる。配列形探触子１１１が略直線に形成される場合には、包絡線は略直線となり、超音波は疑似的な平面波となる。
【００８２】
発せられた超音波は、液体の層を伝搬し、液体の層と被測定材２１との境界（すなわち被測定材２１の表面）で一部が反射する。そして被測定材２１の内部に伝搬した超音波は、被測定材２１の内部に存在するきずなどの音響反射面に遭遇すると、一部がそこで反射する。さらに被測定材２１の反対側表面（すなわち被測定材２１の底面）に達した超音波はそこで一部が反射する。
【００８３】
そして、各超音波振動子１１１１は表面エコー高さ、音響反射面におけるエコー、底面エコーを受信する。超音波エコー受信手段１４４は受信した超音波エコーを増幅し、Ａ／Ｄ変換手段１４５は、増幅された超音波エコーをアナログ値からディジタル値に変換する。波形記憶手段１４６はディジタル値に変換された超音波エコーを、被測定材２１の深さ方向位置と超音波振動子１１１１の配列方向位置とともに記憶する。または、被測定材２１の深さ方向と超音波振動子１１１１の配列方向に応じた所定のアドレスに記憶する。
【００８４】
任意焦点波形合成部１４１は、波形記憶手段１４６に記憶される超音波エコーを、被測定材２１の深さ方向と超音波振動子１１１１の配列方向について読み出しながら、ダイナミックフォーカス方式（ダイナミックフォーカス方式による走査方法の詳細は、前記特開２００３−２８８４６号公報参照のこと）による探傷が行われる。
【００８５】
判定手段１３１は、走査結果に基づいて、超音波エコーが欠陥であるか否かを判定する。すなわち、エコー高さが所定の閾値以上であれば、当該きずは欠陥であると判定する。出力手段１３２は、判定手段１３１による判定結果を出力する。
【００８６】
そして、すべてのＸ軸方向位置について（すなわちすべての探傷範囲について）前記処理が終了した場合には（ステップＳ２−９において「Ｙｅｓ」）、処理を終了する。終了していない場合には（ステップＳ２−９において「Ｎｏ」）、次のＸ軸方向位置に配列形探触子１１１を移動させ、ステップＳ２−２〜ステップＳ２−８の処理を行う。
【００８７】
このような構成によれば、いずれのＸ軸方向の位置においても、正しい測定位置で超音波探傷を実施することができる。したがって、探傷の精度の向上を図ることができる。特に配列形探触子１１１を用いる超音波探傷でも、θｚの回転方向を調整することによって、各超音波振動子１１１１と被測定材２１との位置関係を均一に維持できるようになるから、探傷の精度の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上、本発明の各種実施形態および実施例について説明したが、本発明は、前記実施形態または実施例に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能であることはいうまでもない。
【００８９】
たとえば、前記実施形態にかかる超音波探傷装置および超音波探傷方法は、全没水浸法により超音波探傷を実施するものを示したが、本発明は、全没水浸法により超音波探傷を実施するものに限定されるものではない。
【００９０】
また、前記実施形態および実施例においては、被測定材が断面略円形の柱状体に適用する構成を示したが、被測定材の断面形状は略円形に限定されるものではない。たとえば楕円、その他の曲面、多角形など、任意の断面形状の被測定材に適用できる。そしてその場合には、配列形探触子を被測定材の表面に対向するような形状にすればよく、より好ましくは配列形探触子を被測定材の表面に沿うような形状にすればよい。
【００９１】
また、前記実施形態においては、配列形探触子を有する超音波探傷装置と超音波探傷方法について説明したが、探触子は配列形探触子に限定されるものではなく、たとえば、単一の超音波振動子を有する探触子を備える超音波探傷装置であってもよい。この場合には、θzについて考慮する必要がない他、配列形探触子のように、各超音波振動子間の相互の関係についても考慮する必要もないが、その他の構成は、前記実施形態と同様の構成が適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置の構成を模式的に示した外観斜視図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【図３】（ａ）は配列形探触子と被測定材との位置関係を模式的に示した断面図、（ｂ）は、配列形探触子が「正しい測定位置」にある場合における水距離を示し、（ｃ）は、配列形探触子が「正しい測定位置」にある場合における表面エコー高さのピーク値を示し、（ｄ）は、配列形探触子がＹ軸方向のプラスの向きにずれた場合における水距離を示し、（ｅ）は、配列形探触子がＹ軸方向のプラスの向きにずれた場合における表面エコー高さのピーク値を示し、（ｆ）は、配列形探触子がＹ軸方向のマイナスの向きにずれた場合における水距離を示し、（ｇ）は、配列形探触子がＹ軸方向のマイナスの向きにずれた場合における表面エコー高さのピーク値を示す。
【図４】（ａ）は配列形探触子と被測定材との位置関係を模式的に示した断面図、（ｂ）は、配列形探触子が「正しい測定位置」にある場合における水距離を示し、（ｃ）は、配列形探触子が「正しい測定位置」にある場合における表面エコー高さのピーク値を示し、（ｄ）は、配列形探触子がθｙ方向のプラスの向きにずれた場合における水距離を示し、（ｅ）は、配列形探触子がθｙ方向のプラスの向きにずれた場合における表面エコー高さのピーク値を示し、（ｆ）は、配列形探触子がθｙ方向のマイナスの向きにずれた場合における水距離を示し、（ｇ）は、配列形探触子がθｙ方向のマイナスの向きにずれた場合における表面エコー高さのピーク値を示す。
【図５】本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置の補正用データを得る段階の動作を示したフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態にかかる超音波探傷装置の実際に超音波探傷を行う段階の動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００９３】
１  超音波探傷装置
１１１  配列形探触子
１１１１  超音波振動子
１１２  Ｘ軸走査スライダ
１１３  Ｙ軸走査スライダ
１１４  Ｚ軸走査スライダ
１１５  θｘ回転治具
１１６  θｙ回転治具
１１７  θｚ回転治具
１１８  水槽
１２１  Ｘ軸走査スライダ駆動手段
１２２  Ｙ軸走査スライダ駆動手段
１２３  Ｚ軸走査スライダ駆動手段
１２４  θｘ回転治具駆動手段
１２５  θｙ回転治具駆動手段
１２６  θｚ回転治具駆動手段
１２７  制御手段
１２８  第一記憶手段
１２９  第二記憶手段
１３０  マッチング手段
１３１  判定手段
１３２  出力手段
１４０  信号処理部
１４１  任意焦点波形合成部
１４２  超音波パルス送受信タイミング設定手段
１４３  超音波パルス発生手段
１４４  超音波エコー受信手段
１４５  Ａ／Ｄ変換手段
１４６  波形記憶手段
２１  被測定材
２２  補正用データ取得用の被測定材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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